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通讯作者：谢冰 教授，苏应龙 研究员
通讯单位：华东师范大学
https://doi.org/10.1021/acs.est.4c04965• 揭示了可生物降解塑料（BPs）在水生环境中的自然降解特性。• 证明了微生物在BPs自然降解过程中的关键作用。生物降解塑料（BPs）作为传统塑料的替代品已广泛存在，但人们对其自然降解特性和微生物驱动的降解机制理解仍然有限，尤其是在作为塑料垃圾主要汇的水生环境。本研究深入探究了在自然水生环境下，BPs（聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯与聚乳酸的共聚物（PBAT/PLA）及单一PLA）为期三个月的动态降解过程。研究结果显示，PBAT/PLA在50天时即出现47.4%的重量损失，并在两个月内显著破碎，而其它塑料则未观察到明显的降解迹象。在降解初期的一个月内，PBAT/PLA的比表面积和粗糙度大幅增加，同时疏水性减弱，有利于微生物在塑料表面的附着。宏基因组分析进一步揭示，塑料际选择性富集了特定的降解菌。基于参与BPs降解的功能基因，从PBAT/PLA塑料际中成功提取了16个高质量的降解菌宏基因组组装基因组（主要属于Burkholderiaceae科）。在生物膜成熟阶段，这些微生物展现出了最强的降解潜力，并通过聚乳酸解聚酶、聚酯酶、水解酶及酯酶等执行降解功能。本研究深化了对BPs环境行为和微生物在塑料降解中作用的理解。图1 图文摘要
塑料重量损失是衡量其降解程度的重要指标。PBAT/PLA在暴露30天后发生显著碎裂，重量损失达27.8%，并在50天时损失达到47.4%，之后完全碎裂。相比之下，PLA和其他非降解塑料（如PS、PP、PVC）的碎裂现象不明显，但PLA在88天时的重量损失（17%）仍高于其他非降解塑料。此外，比表面积、疏水性和粗糙度的变化也共同表明，两种可生物降解塑料PBAT/PLA和PLA在自然水生环境中会发生显著的老化和降解，且PBAT/PLA的降解程度大于PLA，塑料表面变得凹凸不平，甚至出现孔洞或断裂。这些理化性质的改变有利于微生物的定殖，从而可能进一步加速塑料的老化和降解过程。图2 水生环境中原位暴露期间塑料碎片的原子力显微镜（AFM）图像
PBAT/PLA塑料在暴露初期（30天前）未形成成熟生物膜，但随后经历了一个完整的微生物演替过程，直至58-66天时完全碎裂。具体而言，在0-30天的定殖阶段，PBAT/PLA表面的活菌生物量显著多于其他塑料类型；至40天时，生物膜成熟，活菌和胞外聚合物（EPS）数量达到高峰；而58天后，随着水温、溶解氧和氮离子浓度的下降，生物膜以死菌和EPS为主。特别地，PBAT/PLA在生物膜成熟阶段（30-58天）的重量损失高达47.4%，远高于早期定殖阶段（15-30天），这进一步证实了微生物在加速PBAT/PLA降解中的关键作用。微生物的群落结构分析进一步揭示了BPs塑料际中的优势物种包含了已知具备降解能力的微生物。图3 不同塑料在不同定殖时期的共聚焦激光显微镜（CLSM）图像揭示了生物膜的发展。活细胞、死细胞和胞外聚合物（EPS）分别呈现为绿色、红色和蓝色。
图4 通过主成分分析（A）和Chao1指数（B）分析塑料际上微生物组成的差异。塑料际和河水（RW）中微生物在门水平上的相对丰度聚类热图（C）（“a”表示P<0.05，“b”表示P<0.01，“c”表示P<0.001）。
河水中的潜在降解细菌具有高度多样性，而在塑料际中则以更高的丰度存在。经数据库比对，发现降解菌主要分布于Burkholderiaceae、Steroidobacteraceae和Rhodocyclaceae等科。潜在降解菌的分布进一步显示，48.5%的潜在降解菌分布在水环境中，而24.2%和27.3%分别分布在PBAT/PLA和PLA塑料际中，表明水生环境虽然是塑料降解细菌的重要储存库，但是BPs表面的选择性富集进一步促进了降解。图5 潜在降解菌在河水（RW）和BPs塑料际中的分布
本研究共鉴定出7种编码PBAT和PLA降解酶的基因，几乎所有bins中都含有编码聚酯酶（polyesterase）的基因。在生物膜成熟阶段，这些微生物的选择性富集和功能性酶的分泌显著促进了PBAT/PLA的降解，导致塑料碎片的重量损失更大且碎裂更严重。在PBAT/PLA塑料际中，编码PBAT和PLA降解酶的微生物更为丰富，其中编码PBAT降解酶的微生物（75%的降解菌含有相关基因）多于编码PLA降解酶的微生物。此外，PBAT/PLA中共聚物中70%的PBAT含量进一步表明，其优越的降解性能主要归因于高PBAT含量和更多的PBAT降解酶。 图6 在河水（A）以及PBAT/PLA（B）和PLA（C）塑料际中潜在降解菌的系统发育树、降解酶数量以及BPs降解潜力。若物种未检测到、时间点未采样或PLA塑料际中不存在PLA降解基因，则相应位置在热图中以空白表示。
本研究揭示了可生物降解塑料在自然水生环境中的降解模式，PBAT/PLA在两个月内就会发生严重的破碎。降解过程分为三个阶段：变性（疏水性变为亲水性、粗糙度增加）、开始分解（重量迅速减轻、降解微生物丰度增加）和严重破碎。对携带可编码PBAT和PLA降解酶基因的微生物进行鉴定证实，水生环境是塑料降解菌的重要储存库，塑料际通过选择性富集功能微生物促进了BPs的解聚，并且在生物膜成熟阶段降解能力达到最大化。谢冰，教授，主要研究有机废弃物、废水的污染控制和资源化、环境中新污染物迁移转化及控制研究等。现为上海有机固废生物转化工程技术研究中心主任。主持国家重点研发计划项目和国家自然科学基金等60余项，共计发表国内外学术论文220余篇，入选全球前2%顶尖科学家。出版专著4部；获国家发明专利20余项，多项转让。获上海市科技进步一等奖及自然科学二等奖等奖励。
通讯邮箱：bxie@des.ecnu.edu.cn苏应龙，研究员、博士生导师，现任职于华东师范大学生态与环境科学学院。主要从事有机固废资源化处理和环境中新污染物环境行为、效应及其控制研究。以第一/通讯作者身份发表SCI论文近30篇，授权国内外发明专利6项，获上海市科技进步三等奖、简浩然环境工程奖与高廷耀基金会青年博士生杰出人才奖学金等。主持国家自然科学基金面上项目与青年项目，参与国家重点研发计划等。
通讯邮箱：ylsu@des.ecnu.edu.cn
